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Sugar code of life & Glycobiology세포표면의 당이 하는 역할Ⅰ
▲ 그림 1. 세포막 Glycans의 기능

[엠디저널]건강한 신체를 유지하기 위해서는 세포들은 서로 대화를 하고 세포 표면의 촉수를 통해 생명현상이 시작된다고 한다. 1996년 하퍼 생화학 교과서에 의하면 지금껏의 세포의 정의와 완전히 다른 이론을 실었다. 이로 인해 세포의 구조와 수용체의 역할에 대한 새로운 패러다임이 열리게 된다.(그림 1)

지금껏 당은 에너지원이며, 과하게 섭취하면 질병을 유발하는 것이라 여겨왔으나 과학의 발전은 당단백질, 당지질, 프로테오글리칸 등 인체 내의 복합 당질이 포도당 이외의 다양한 당성분들로 이루어져 있음을 밝히게 되고, 생명현상에서 세포와 세포간의 신호전달(cell to cell communication)과 인지 및 수정(fertilization) 발생, 염증, 감염, 유전질환, 대사장애, 암 발생 및 전이, 자가면역질환 등의 해답을 기능적인 당에서 찾게 되었다.

▲ 그림 2. Glycosylation

기존의 당에 대한 의료 과학계의 초점이 포도당의 해당작용(glycolysis)과 미토콘드리아에 국한 되어 있었다면, 생명의 언어를 풀어가는 미래의‘당(sugar)’에 대한 초점은 세포수준에서 유전적 인자에 따른 단백질의 생성에 있어 소포체, 골지체에서 일어나는 당화(Glycosylation)(그림 2)에 대한 인식으로 옮겨진다. 인체 내에서 단백질과 지질에 당이 붙어서 만들어지는 물질(Glycoconjugates)의 정상적인 구조와 역할을 연구하고 나아가서 질병을 치료하는 의약품으로의 발전까지 당생물학(Glycobiology), 당쇄학(Glycomics), 당과학(Glycoscience)은 생명의 달콤한 언어로 인류에게 건강하고 행복한 미래를 보장해 줄 수 있는 솔루션으로 자리잡고 있다.

우리 몸은 60조~100조개의 세포로 이루어져있는데 각 세포마다 약 10만개의 촉수(글리칸Glycan, 당사슬, 수용체)가 있어야 가장 이상적이다. 세포에 당화(Glycosylation)가 적절히 이루어지지 않으면 생명은 큰 위협을 받게 된다.

1. 수정, 생식, 배아발달에 관여

난자는 우리 몸에서 가장 큰 세포로 수정이 되고, 아기를 키우기 위해 충분한 영양소를 가지고 있어야 한다. 수정된 후 난할 될 때 난자 투명대의 당영양소들이 영양공급의 원료가 된다. 또한 정자들이 건강하게 움직이기 위해서도 당영양소가 충분히 공급되어 정자세포에 Glycocalyx가 풍부하게 만들어져야 한다.

정자가 수정에 관여하는데 난모세포(occyte)의 막에 도달하기 위해서는 난모세포를 싸고 있는 투명한 막인 Zona Pellucida(ZP)를 통과해야 한다. O-linked-당단백질인 ZP3의 당사슬과 정자의 당단백질이 상호작용하여 수정이 가능하게 되는 것이다. 수정란이 난관으로부터 영양소와 호르몬의 영향을 받으며 난할이 되면서 이동하여 자궁내막 수용체와 신호 교환으로 안정적으로 착상되어야 임신이다. 당사슬은 세포분열에 관여하는데 난관의 당점막 정상화와 자궁내막 수용체의 정상화는 생명 탄생의 중요한 요소가 된다.

2. 신경계에서 구조와 정상기능 발현에 관여

태아에서부터 만들어진 뇌 신경세포는 출생 후 3년까지 급속도로 만들어지고 성인이 될 때까지 성숙과 가지치기 등의 과정을 거치며 완성되어진다. 태아의 뇌 발달에 있어 시알산에 의한 polysialylation은 뇌신경계 시스템 생성에 아주 중요한 조절인자로 작용한다. 폴리 시알산(PSA Polysialic acid)은 신경 시스템을 발달시키고, 신경 가소성(neural plasticity)을 유지하는 핵심 요소이면서, 세포 이동과 가소성을 조절하는 작용도 수행한다.

또한 뉴런에서 BDNF(뇌유래신경영양인자 Brain Derivate Neurotrophic Factor)로의 적절한 민감성에 필요한 역할을 하고 손상된 부위에 신경계 전구세포 수를 증가시켜 중추 신경 시스템을 회복시키기도 한다. 여기서 신경계 전구세포란, 신경계의 여러 가지 세포를 생산할 수 있는 즉, 자가복제능을 가진 신경줄기세포에서 유래하여 분열한다. BDNF는 기억력에 관여하는 단백질 화학물질이며, 흥미로운 것은 이 폴리 시알산(PSA Polysialic acid)의 뉴런이 BDNF에 반응하는 민감도에 필요하다는 것이다.

▲ 폴리 시알산 신경세포 접착분자(PSA-NCAM)

렉틴은 세포표면에 있는 단백질이며, 당과 결합하여 세포와 다른 단백질을 인지하는 역할을 하고 있다. 뇌는 특히 시스템을 작동시키는데 렉틴 단백질을 필요로 한다. 이때 퓨코즈, 갈락토즈, 만노즈, N-아세틸 글루코사민, N-아세틸 갈락토사민, N-아세틸 뉴라민산 등의 6가지의 당이 렉틴과 결합하여 뉴런과 뉴런 사이의 정확한 시냅스를 지정하여 형성하고, 축색돌기의 성장, 섬유속연축(fasiculation), 수초형성, 뉴런 이동, 세포 내 혹은 세포 표면의 신호발생 등 필수적인 역할을 담당한다. 또한 모유에 포함된 당영양소인 galactose, N-acetylglucosamine, Sialic cid(NANA), N-acetylgalactosamine 등은 정상적이고 건강한 두뇌 발육 촉진뿐 아니라, 정상적이고 건강한 소화기계의 발육 및 기능 또한 가능하게 한다.

<다음호에 계속>

정은주  emd@mdjournal.net

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